杨怀光，龚宏义，杨培佑

（1.长沙福田汽车科技有限公司，湖南长沙410129；2.长沙理工大学汽车与机械工程学院，湖南长沙410114）

基于模糊控制的柴油机EGR系统氮氧化物排放控制仿真研究

杨怀光1，龚宏义2，杨培佑1

（1.长沙福田汽车科技有限公司，湖南长沙410129；2.长沙理工大学汽车与机械工程学院，湖南长沙410114）

针对柴油机氮氧化物排放污染的日益严重，提出基于模糊控制的柴油机EGR系统氮氧化物排气模型。分析了模糊控制系统的优点，建立了NOx排气模型，并且将此模型应用到模糊控制器中；将设计出来的模糊控制器应用到柴油机EGR模块中，在MATLAB仿真环境下进行仿真研究，给出相应的仿真图；并通过仿真结果验证，对柴油机NOx排放物进行了对比分析。结果表明：基于模糊控制的柴油机EGR模块对NOx的排放控制极为有效并且精确，通过ECU很好地控制了喷油规律，从而降低了柴油机NOx的排放，满足了国Ⅳ、国Ⅴ排放要求。

柴油机；NOx排放；模糊控制；EGR技术

0 前言

近半个世纪以来，全世界工业迅速发展，特别是各国汽车行业的崛起，给大气环境造成了严重的污染。机动车污染已成为我国空气污染的重要来源，是造成灰霾、光化学烟雾污染的重要原因。车用柴油机是排放NOx的主要污染源，控制柴油机NOx排放是控制空气污染的主要手段。我国近几年推行汽车国Ⅳ、国Ⅴ排放标准措施，显示出我国要严控汽车排放造成的污染的决心。因此，控制柴油机NOx的排放量是减少NOx污染的关键。废气再循环 （EGR）技术是针对降低NOx排放提出来的净化措施，为此采取基于模糊控制的柴油机EGR系统对NOx进行净化，以提高EGR系统对降低NOx排放的控制效果。仿真验证对比图说明了基于模糊控制的柴油机EGR模块能够很好地优化柴油机喷油规律，从而有效地降低NOx的排放量。

1 模糊控制策略

模糊控制属于非线性智能控制方法中的一种，它在各种系统中，大部分都能达到很好的控制效果，如非线性系统、多目标系统和自适应控制系统等。由于控制系统存在鲁棒性差、信号干扰和各参数变化等因素，这些不利因素大大降低了系统的控制效果，但模糊控制系统具有减少各种因素干扰的优点，所以，模糊系统非常适合非线性时变系统的控制。通过模拟人的思维方式对控制系统进行有效控制，是模糊控制最大的一个特点。模糊控制的目标函数 （被控对象）并不需要建立很精确的数学模型，它可以将目标函数中的精确数值在模块内进行模糊化，然后再模拟人的思维模式和逻辑方式进行模糊判断，最后将模糊数值又一次精确化，得出模型所需数值，它是一种反馈控制策略［1］。

1.1 模糊控制系统

模糊控制系统隶属于数控系统，因此，它具备一般数控系统的基本形式，模糊控制系统组成结构图如图1所示。

前文已经提及，模糊控制系统的控制策略与其他控制系统的明显区别在于它本身不需要对被控对象进行精确的数学建模，即可将模型计算公式计算出来的值和其他一些所需要的参数值作为控制系统的输入值，并且在模糊控制模块中进行较复杂的模糊化、模糊推理和精确化等过程，这些过程都是在模拟人的思维逻辑和推理方法这种模糊理论的基础上完成的，模糊控制系统最终输出研究所需的精确值，供给研究使用。

1.2 模糊控制器

模糊控制器 （图1双点划线所示）的输入输出变量均为语言变量，控制规则是根据研究需要设立的模糊条件语句，对其输入量进行模糊逻辑处理，并且将输出值精确化，最终使被控对象 （输入或输出量）达到所需控制效果。根据模糊控制器输入输出量的多少，目前可以将模糊控制器分为：单输入单输出模糊控制器、双输入单输出模糊控制器和多输入多输出模糊控制器。由于柴油发动机燃烧排放情况很复杂，因此对柴油机EGR系统排放模型采用多输入多输出模糊控制器 （如图1所示）。

模糊控制器的控制原理可用流程图2来表示。

2 柴油机NOx排气模型的建立

2.1 NOx排气模型的建立

柴油机在工作过程中，尾气NOx的形成及排放过程非常复杂，故实际操作当中，不能够对NOx的生成量进行直接测量。在此，采用碳平衡法建立柴油机NOx计算模型，并与下文的基于模糊控制的柴油机EGR仿真模块相结合，在MATLAB软件环境下进行仿真研究。

建立NOx模型之前，对试验所用的柴油燃料进行成分分析。一般认为，单位质量柴油燃料中，碳 （C）的质量分数为85.3%，氢 （H）的质量分数为13.5%，硫 （S）的质量分数为0.1%，以上均为模型所需燃料元素成分［2］。NOx的计算模型如下：

（1）单位质量柴油完全燃烧所需理论空气质量m：

（2）假设柴油燃料完全燃烧，则可利用CO2的排气浓度计算过量空气系数ϕ1：

式 （2）中：VCO2D表示干排气中CO2干体积浓度。

（3）H⁃C摩尔比M：

（4）柴油燃料特性系数F：

（5）HC排气过程中的干浓度VHCD：

（6）排气过程中C元素与排气体积摩尔比M′：

式 （6）中：VCOD表示干排气中CO干体积浓度。

（7） 实际过量空气系数ϕ2：

（8）湿排气质量流量Q：

式 （8）中：Qm表示进入柴油机燃油质量的流量。

（9）NOx排气质量流量的计算Q′：

式 （9）中：λ表示计算修正系数，VCONC表示干或湿体积浓度。

由NOx排气计算公式可以看出，影响柴油机NOx排放量主要因素是过量空气系数ϕ1，而由理论分析同样可知，混合气中的氧含量直接影响到柴油机NOx排放量的多少。因此，要控制柴油机NOx的排放量，就必须严格控制柴油机燃烧过程中氧气的含量。

2.2 基于模糊控制的柴油机EGR仿真模块的建立

（1）输入参数值的确定

根据模糊控制的理论方法，将NOx的计算模型需要的参数值，包括柴油燃料C、H元素含量、燃油特性系数和喷油质量流量等，在MATLAB软件里作为一个整体模块，作为模糊控制器的其中一个输入值。由于柴油机实际燃烧过程当中，影响其NOx排放量的还有各工况权值系数，所以，NOx输出值可以在模糊控制器中采用公式 （10）进行精确化 （去模糊化）计算：

其中：mGASi表示各工况NOx质量排量；Pi表示各工况制动功率；WFi表示各工况权重系数。

除此之外，由上文可知，影响柴油机NOx排放量的还有氧气浓度；同时，发动机温度也是影响其排放的另一个重要原因，发动机高温富氧的工作条件，均会使柴油机NOx排放量增加［3－5］。因此，将氧气浓度和温度这两个参数值也作为模糊控制器里的输入值，用以控制EGR率。

（2）基于模糊控制的柴油机EGR仿真模块

要使NOx的净化效果达到最佳，难点在于EGR率控制的精确无误。机械式EGR控制系统和电控式EGR控制系统是市场上比较常见的两种系统。现主要研究控制精度较高的电控闭环EGR控制系统。文中设计的EGR仿真模块，就是在普通EGR闭环电控系统里面加入模糊控制器，使影响NOx排放的发动机参数值输入到模糊控制器中，进行模糊逻辑处理。由于柴油机工作过程非常复杂，无法对每一工况下的各参数进行精确建模，但是模糊控制器依然能将其他影响NOx排放的因素（如大气湿度、转速和其他排放物含量等）也一并考虑在内，作为模糊控制器的各输入值 （如图3所示）。

经过处理后的各输出值直接传达到发动机 ECU上，使EGR系统对EGR阀的启闭执行相应的工作，控制EGR电磁阀门的开度，进而有效地控制EGR率。最后，又可将输出的每工况喷油量和NOx浓度值重新反馈给模糊控制器和ECU，从而优化EGR率的控制，降低NOx的排放。

（3）模块的仿真

根据设计出来的基于模糊控制的EGR模块，运用MAT⁃LAB／Simulink软件对此模块进行仿真研究。由于影响柴油机NOx排放因素很多，模糊控制器的输入模糊变量及其仿真图形也相应较多，故文中不一一赘述，只给出影响最重要的输入参数 （温度和氧浓度）和输出值 （喷油量和NOx）的隶属函数曲线，并给出两者之间相应的显示结果。

3 仿真结果验证

按照上述理论分析和方法，对某型号柴油机在MATLAB仿真环境下进行仿真试验。试验前后，通过加入普通EGR电磁阀控制单元模块和加入基于模糊控制器的EGR模块，得出柴油机喷油规律对比图和柴油机氮氧化物排放生成量对比图，从而验证设计的基于模糊控制器的EGR模块能够较精确地控制柴油机喷油规律，对降低柴油机氮氧化物排放量具备更好的控制效果。

3.1 对喷油规律的仿真验证

由图10可知：加入模糊控制器之前，EGR系统本身属于电控反馈控制系统，喷油规律曲线也几乎能按照理想喷油规律曲线进行仿真控制，但是曲线波动稍大，特别进入 “急喷”期的时候，由于喷油速率较大，燃烧情况相对恶劣，此处喷油规律波动最大，柴油机排放情况也相对恶劣；加入模糊控制器后，EGR仿真模块由于喷油时刻是按照ECU对EGR率的反馈情况，即按照NOx排放量进行的反馈控制，同时将反馈情况重新反馈给模糊控制器，系统进行了双重反馈控制，从而不会出现较大的波动，喷油规律曲线也相对拟合得较理想，优化了喷油规律。

3.2 对NOx排放的仿真验证

分析图11：未加入EGR模块时，由于排气温度很高，发动机无法抑制NO2的增长，NO2排放浓度很高 （曲线1所示）；当打开EGR阀控制单元，并且将EGR率控制在15%左右 （曲线2所示），就能显著地降低NO2浓度，此时的NO2浓度比之前降低了约50%；将文中设计的模糊控制器加入到EGR模块中 （曲线3所示），NO2排放浓度则比前两者均少，约减少80%。由此表明：通过EGR技术，在柴油机进气系统引入定量废气，使适量的废气和油气混合物进行混合燃烧，点火延迟增大，进而使燃烧物的热容量增大，并可充分利用一些惰性气体（如N2、H2O、CO2等），来稀释氧气的含量，又能使燃烧最高温度降低，破坏高温富氧条件，减少了NOx的生成量。同时也表明：基于模糊控制的柴油机EGR模块，要比单纯的EGR系统的排放控制效果好，并且在原有的基础上，能够进一步降低NOx的排放量。

4 结论

将模糊控制器引入到柴油机 EGR系统当中，对柴油机EGR系统进行双重反馈控制，在MATLAB软件中，设计了适用于柴油机EGR系统的模糊控制器，并对影响NOx排放的两个主要因素 （氧浓度和温度）和两个输出结果 （喷油量和NOx浓度）进行了模糊控制仿真研究。仿真结果充分说明了基于模糊控制的柴油机EGR模块能够较好地优化柴油机喷油规律，进而降低NOx的排放浓度，具有很大的市场潜力和应用价值。

【1】刘志敏.基于模糊控制的汽车ABS系统仿真研究［D］.兰州：兰州理工大学，2009.

【2】张跃文.船用柴油机氮氧化物排放特性与排放量计算方法研究［D］.大连：大连海事大学，2000.

【3】龚金科.汽车排气污染及控制［M］.北京：人民交通出版社，2006.

【4】张志沛.汽车发动机原理［M］.北京：人民交通出版社，2011.

【5】李岳林.汽车排放与噪声控制［M］.北京：人民交通出版社，2007.

【6】陈浩平，王贵勇，申立中，等.基于Ascet平台的高压共轨电控EGR控制策略研究［J］.车用发动机，2010（6）：26－29.

【7】Hountalas D T，Mavropoulos GC，Binder K B.Effect of ExhaustGas Recirculation（EGR）Temperature for Various EGR Rates on Heavy Duty DIDiesel Engine Performance and Emissions［J］.Ener⁃gy，2007，33（2）：272－283.

Simulation Research on NOxEmission Control by EGR System of Diesel Engine Based on Fuzzy Control

YANG Huaiguang1，GONG Hongyi2，YANG Peiyou1
（1.Changsha Foton Vehicle Technology Co.，Ltd.，Changsha Hunan 410129，China；2.School of Automotive and Mechanical Engineering，Changsha University of Science＆Technology，Changsha Hunan 410114，China）

Aiming at NOxemission pollution of the diesel engine becoming increasingly serious，a NOxemissionmodel of EGR system of diesel engine based on fuzzy controlwas proposed.The advantages of the fuzzy control system were analyzed，and the NOxemission modelwas established，which was applied to the fuzzy controller.The designed fuzzy controllerwas applied to the EGRmodule of the engine，and simula⁃tion research was carried out in the MATLAB simulation environment.The corresponding simulation diagrams were obtained；finally，through the simulation result test，the NOxemissions of diesel engine were analyzed with comparison.The results show that the EGR module of diesel engine based on fuzzy control is very effective and accurate to the NOxemissions.The ECU has a very good control to the fuel injection law，thereby the emission of diesel engine NOxis reduced，which can bettermeet the State IV，V emission requirements in China.

Diesel engine；NOxemissions；Fuzzy control；EGR technology

2015－04－18

杨怀光 （1976—），男，工学学士，工程师，主要研究商用汽车节能减排方向。E⁃mail：yanghuaiguang＠gmail.com。